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Die Erfindung betrifft ein Mess-System und ein entsprechendes Verfahren, mittels dem in einem Einzugsgebiet eines Gewässers als zentrale Faktoren einer Gebietsreaktion eine Flussrate bzw. ein Wasserstand prognostizierbar sind, um im Hochwasserfall in diesem Gebiet entsprechend warnen zu können.
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Mit zunehmender Intensität von Extremwetter-Ereignissen wird der Warnung vor Hochwasser-Ereignissen im Einzugsgebiet von Gewässern eine immer zentralere Rolle zugeschrieben. Die reine Erfassung von Hochwasser-Ereignissen basiert gemäß des Stand der Technik auf der Pegelmessung an aussagekräftigen Stellen von Gewässern, wie beispielsweise:
- - Am Oberlauf des Gewässers,
- - an der Mündung des Gewässers,
- - unterhalb wichtiger Zuflüsse mit markanter Zunahme der Größe des Einzugsgebietes,
- - an Stauhaltungen, natürlichen und künstlichen Seen mit Wasserstands-Dynamik sowie an deren Zu- und Abflüssen.
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Dabei können die Pegel entweder an Bauwerken mit entsprechenden Skalen manuell ausgelesen werden. Bei modernerer Auslegung kann der Pegel auch automatisiert gemessen werden, beispielsweise mittels Radar-basierter Pegelmessung. Radar-basierte Messgeräte, mittels denen Pegel bzw. Füllstände bestimmt werden können, sind beispielsweise aus der Veröffentlichungsschrift
DE 102020100867 A1 bekannt.
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Eine mögliche, ortsaufgelöste Analyse von Extremniederschlags-Ereignissennen ist in der Veröffentlichungsschrift
DE 102020119488 A1 beschrieben. Das dortige Mess-System basiert auf der lokalen Messung von Niederschlagsmengen an mehreren Messpunkten und der anschließenden, dezentralen Auswertung auf Basis eines selbstlernenden, KI-basierten Algorithmus („Künstliche Intelligenz“). Vorteilhaft hieran ist, dass eine sehr engmaschige Auflösung erreichbar ist.
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Die amtliche Warnung vor Hochwasser basiert hauptsächlich auf der Bereitstellung meteorologischer Daten, mittels denen als zentrales Entscheidungskriterium die Niederschlagsmenge prognostiziert wird. Auf dieser Basis kann eine zuverlässige Prognose der Gebietsreaktion für einen zukünftigen Zeitraum bzw. einen zukünftigen Zeitpunkt im Bereich von mehreren Stunden bis hin zu mehreren Tag Vorlaufzeit gegeben werden. Dabei dienen als primäre physikalische Zielgrößen einer Gebietsreaktion der zeitliche Verlauf des Wasserstandes und die Abflussmenge an definierten Zielorten des Gebietes.
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Das minimal mögliche Raster, mit welchem eine Gebietsreaktions-Prognose auf Basis rein meteorologischer Daten örtlich auflösbar ist, beträgt in der Regel mehrere hundert Meter. Dabei können die Niederschlagsmengen gerade bei Extremwetterereignissen örtlich stark schwanken. Außerdem hängt eine daraus eventuell resultierende Hochwasserlage von der ggf. unbekannten Gewässersituation in diesem Vorhersagegebiet ab, da über die Gewässer bzw. deren Einzugsgebiete die Niederschlagsmengen abgeführt werden. Das gebietsbezogene Resultat eines Niederschlagsereignisses bezeichnet man dabei als Gebietsreaktion, wobei der Wasserstand und die Flussrate am jeweils betrachteten Zielort des Rasters die zentralen, physikalischen Messgrößen der Gebietsreaktion darstellen. Überschreiten der - prognostizierte - Wasserstand bzw. die Flussrate einen für den jeweiligen Zielort individuell definierten Grenzwert, so definiert sich dies als HochwasserLage. In diesem Zusammenhang sind nicht nur Gewässer erster Ordnung, sondern auch Gewässer zweiter und dritter Ordnung bzw. deren Einzugsgebiete besonders gefährdet, da vorwiegend entlang dieser Einzugsgebiete die Niederschlagsmengen abgeführt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige Hochwasser-Warnung für zumindest einem definierten Zielort im entsprechenden Einzugsgebiet eines Gewässers bereitstellen zu können.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Mess-System zur Prognose eines Wasserstandes und/oder einer Flussrate für zumindest einen definierten Zielort in einem Einzugsgebiet eines Gewässers. Dabei definiert sich der Begriff „Prognose“ im Rahmen der Erfindung als Berechnung des voraussichtlichen Wertes für einen definierten Zeitpunkt, Zeitabstand oder Zeitraum in der Zukunft. Folgende Komponenten umfasst das erfindungsgemäße Mess-System:
- - Ein oder mehrere Messgeräte, welche/welches am Zielort und/oder innerhalb des Einzugsgebietes des Gewässers angeordnet sind/ist, um als Messwert
- ◯ einen Pegelstand
- ◯ eine Bodenfeuchte, wie beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift WO 2019096766 A1 beschrieben ist,
- ◯ und/oder einen Niederschlag, beispielsweise als akkumulierte Niederschlagsmenge oder als Niederschlagsintensität
zu bestimmen, - - eine mit dem zumindest einen Messgerät verbundene Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, um
- ◯ anhand des zumindest einen Messwertes, sowie
- ◯ anhand eines definierten Algorithmus, welches eine Abhängigkeit der Flussrate und/oder des Wasserstandes am Zielort des Gewässers von dem zumindest einen Messwert beschreibt,
die Flussrate und/oder den Wasserstand an dem Zielort für einen definierten Zeitabstand oder über einen definierten Zeitraum zu prognostizieren.
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Durch das erfindungsgemäße Mess-System kann im Zweifelsfall mit hinreichender Vorlaufzeit vor Hochwasser gewarnt werden. Darüber hinaus kann die Warnung mit örtlich sehr feiner Auflösung abgegeben werden. Hierdurch können auch etwaige, lokal stark begrenzte Warnlagen erkannt werden, die mittels konventioneller Vorhersagen auf Basis rein meteorologischer Vorhersagedaten nicht als solche erkannt würden. Insbesondere, sofern die Wasserstände/Flussraten und ggf. Flussrichtungen an den einzelnen Zielorten vom Mess-System über einen definierten Zeitraum prognostiziert werden, ergibt sich für konkrete Zeitpunkte ggf. auch eine entsprechend korrigierte bzw. aktualisierte Prognose.
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Besonders effizient kann das erfindungsgemäße Mess-System ausgelegt werden, sofern in der Auswerte-Einheit ein maschineller Lern-Algorithmus implementiert ist, der insbesondere als künstliches neuronales Netzwerk oder gemäß einer tiefen Lernmethode („Deep Learning“) ausgebildet ist. In diesem Fall kann der Algorithmus anhand insbesondere fortlaufend gemessener Messwerte, und anhand eines zumindest einmalig am Zielort gemessenen Wasserstandes und/oder einer dort einmalig gemessenen Flussrate eingelernt bzw. optimiert werden.
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Damit das erfindungsgemäße Mess-System möglichst wenig Infrastruktur erfordert bzw. mit möglichst geringem Aufwand installiert werden kann, ist es vorteilhaft, das Messgerät bzw. die Messgeräte Energie-autark auszulegen, bspw. indem sie mit entsprechenden Pufferbatterien ausgestattet werden. Insbesondere, damit die Batterie-Kapazität möglichst lange erhalten bleibt, kann die Messrate des Messgerätes oder dessen Übertragungsrate zur Auswerte-Einheit insbesondere proportional oder stufenweise in Abhängigkeit des Messwertes oder der prognostizierten Flussrate bzw. des prognostizierten Wasserstandes geregelt werden. Hierdurch wird im Falle eines möglicherweise anstehenden Hochwasser-Ereignisses sichergestellt, dass das jeweilige Messgerät gerade bei Überschreiten von definierten Grenzwerten hinreichend oft misst bzw. hinreichend oft die Messwerte überträgt. Sofern der Messwert des jeweiligen Messgerätes bzw. die prognostizierte Gebietsreaktion (Wasserstand/Flussrate) entsprechende Grenzwerte nicht überschreitet, kann die Mess- bzw. Übertragungsrate bspw. durch die Auswerte-Einheit regelungstechnisch entsprechend verlangsamt werden.
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Allgemein kann die Auswerte-Einheit im Rahmen des erfindungsgemäßen Mess-Systems mittels jeglicher geeigneter Digitalschaltungen, wie zum Beispiel FPGAs, Microcontrollern oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen realisiert werden. Vorzugsweise kann als Auswerte-Einheit ein dezentraler Server fungieren, wobei das zumindest eine Messgerät über eine kabellose Schnittstelle, insbesondere eine GSM-Schnittstelle, mit dem Server zu verbinden sind/ist. Dies gewährleistet eine schnelle und sichere Messwert-Übertragung.
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Optional können zu einer Optimierung es zu prognostizierenden Wasserstandes bzw. der zu prognostizierenden Flussrate an den jeweiligen Zielorten außerdem meteorologische Vorhersagendaten für das Einzugsgebiet des Gewässers miteinbezogen werden. Hierzu muss die Auswerte-Einheit entsprechend ausgelegt sein, um diese Daten empfangen zu können, was bspw. wiederum über die GSM-Schnittstelle erfolgen kann. Der Algorithmus muss in diesem Fall entsprechend ausgelegt sein, um die meteorologischen Vorhersagendaten in die Berechnung der prognostizierten Flussrate bzw. des prognostizierten Wasserstandes am Zielort miteinzubeziehen.
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Korrespondierend zum erfindungsgemäßen Mess-System wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, durch ein entsprechendes Mess-Verfahren gelöst. Dabei dient das Verfahren zur Prognose einer Flussrate und/oder eines Wasserstandes an zumindest einem definierten Zielort in einem Einzugsgebiet eines Gewässers mittels des Mess-Systems gemäß einem der vorhergehend beschriebenen Ausführungsvarianten. Folgende Verfahrensschritte umfasst das Verfahren:
- - Erfassung von zumindest
- ◯ einem Pegelstand
- ◯ einer Bodenfeuchte, und/oder
- ◯ einem etwaigen Niederschlag
am Zielort und/oder innerhalb des Einzugsgebietes des Gewässers als den zumindest einen Messwert, und - - Berechnung der für einen definierten Zeitabstand prognostizierten Flussrate und/oder des für den Zeitabstand prognostizierten Wasserstandes an dem zumindest einen Zielort zumindest
- ◯ anhand des zumindest einen Messwertes, und
- ◯ anhand des Algorithmus.
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Dabei kann die erfindungsgemäße Hochwasser-Warnung verbessert werden, indem der Wasserstand und/oder die Flussrate nicht lediglich für einen Zielort, sondern für zwei oder mehrere verschiedene Zielorte im Einzugsgebiet bestimmt wird. Die „virtuelle“ Anordnung der Zielorte durch den Algorithmus kann in diesem Fall rasterförmig erfolgen. Insbesondere bei einer Server-basierten Auslegung der Auswerte-Einheit wirkt sich der entsprechend erhöhte Rechenaufwand bei der Implementierung mehrerer Zielorte nicht negativ aus.
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Näher erläutert wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Figur. Es zeigt:
- 1: Eine schematische Darstellung eines Einzugsgebiet eines Fließgewässer-Abschnittes.
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Zum prinzipiellen Verständnis der erfindungsgemäßen Hochwasser-Prognose ist in 1 schematischen ein Abschnitt eines Fließgewässers 2 mitsamt dessen Einzugsgebiet 1 gezeigt. Dabei bezieht sich der Begriff „Einzugsgebiet‟ auf dasjenige Gebiet, in dem hydrologischen Faktoren den Pegel bzw. die Wasser-Durchflussmenge des Fließgewässers 2 in diesem Gebiet 1 beeinflussen. Als Faktoren zählen dementsprechend bspw. Gewässer-Zuläufe bzw. die entsprechende Topografie oder die Wasseraufnahmefähigkeit des Bodens in diesem Gebiet 1. Im Gegensatz zu der gezeigten Darstellung werden unter dem Begriff „Gewässer“ nicht nur fließende Gewässer wie Bäche oder Flüsse verstanden, sondern beispielsweise auch temporär ausgetrocknete Bachläufe und stehende Gewässer, wie Seen verstanden.
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Zur Hochwasser-technischen Überwachung des zu beobachtenden Einzugsgebietes 1 kann dieses im Rahmen der Erfindung in ein Raster mit einem Rasterabstand zwischen bspw. 10x1 0m und 100x100m aufgeteilt werden, wie in 1 schematisch dargestellt ist. Dabei bildet jeder der Rasterpunkte einen potenziellen Zielort x, der zur Beschreibung einer Gebietsreaktion herangezogen werden kann. Das heißt, für jeden dieser Zielorte x werden in Abhängigkeit verschiedener Eingangsgrößen ein etwaiger Wasserstand L bzw. eine etwaige Flussrate l/s und ggf. eine Abfluss-Richtung prognostiziert.
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Bei der in 1 gezeigten Darstellung ist aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich einer der Rasterpunkte als Zielort x definiert. Entgegen dieser vereinfachten Darstellung ist es im Rahmen der Erfindung wahrscheinlich, dass sich zumindest einzelne der rasterförmig angeordneten Zielorte x außerhalb des Fließgewässers 2 befinden. In diesen Fällen bzw. an solchen Zielorten x beträgt der Wasserstand L und die Flussrate l/s bei nicht vorliegender Hochwasserlage logischerweise 0 L bzw. 0 L/Sek. Wird für einen der Zielorte x aufgrund eines konkreten Niederschlagsereignisses ein Wasserstand L und/oder eine Flussrate l/s prognostiziert, die oberhalb einer individuell für diesen Zielort definierten Grenzwert Lmax, l/smax liegen, so ist dies gleichbedeutend mit einer Warnlage vor Hochwasser.
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Um als Reaktion auf ein Niederschlagsereignis im Einzugsgebiet 1 eine entsprechende Gebietsreaktion bzw. eine etwaige Hochwasserlage zu prognostizieren, werden an geeigneten Messorten als Messwert erfindungsgemäß zumindest
- ◯ der momentane Pegelstand
- ◯ die aktuelle Bodenfeuchte, und/oder
- ◯ einen Niederschlag, wie bspw. die bis dato gefallene Niederschlagsmenge bzw. eine Niederschlagsintensität
erfasst. Bei der schematischen Darstellung in Fig, 1 umfasst ein erfindungsgemäßes Mess-System zur Erfassung der korrespondierenden Messwerte innerhalb des Einzugsgebietes 1 als Messgeräte-Typen daher - - ein Pegelmessgerät 10 an einem Zulauf des Fließgewässers 2,
- - ein Pegelmessgerät 10` am Hauptlauf des Fließgewässers 2 in Flussrichtung oberhalb des Zielortes x,
- - ein Feuchtemessgerät 11 zur Bestimmung der Bodenfeuchte, und
- - ein Niederschlagsmessgerät 12, das zumindest momentanen Niederschlag als binäres Ereignis (Ja/Nein) erfassen kann.
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Dabei versteht es sich von selbst, dass die Gebietsreaktion, also die Rasterdichte der Zielorte x und die dort ermittelten Wasserstände L bzw. Flussraten l/s, umso genauer und sicherer prognostiziert werden können, je mehr Messgeräte 10, 10`, 11, 12 bzw. Messgeräte-Typen innerhalb des Einzugsgebietes 1 durch das Mess-Systems zur Anwendung kommen. Damit die Messgeräte 10, 10`, 11, 12 autark bzw. kabellos arbeiten können, ist es vorteilhaft, diese jeweils zumindest mit einer entsprechenden Pufferbatterie und/oder mit zusätzlichen Solarzellen auszustatten. Auch ein etwaiges Umpositionieren der Messgeräte 10, 10`, 11, 12 innerhalb des Einzugsgebietes 1 wird hierdurch vereinfacht.
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Die von den Messgeräten 10, 10`, 11, 12 erfassten Messwerte werden als Eingangsgrößen einem entsprechenden Algorithmus einer Auswerte-Einheit 3 des Mess-Systems zugeführt. Dabei ist die Auswerte-Einheit 3 entsprechend der in 1 gezeigten Ausführungsvariante vorzugsweise dezentral realisiert und nicht Bestandteil eines der Messgeräte 10, 10`, 11, 12. Damit wird auch bei einem etwaigen Ausfall eines der Messgeräte 10, 10`, 11, 12 verhindert, dass die Hochwasser-Warnung ausfällt. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsvariante ist die Auswerte-Einheit 3 in Form eines dezentralen Servers realisiert, welcher beispielsweise über eine GSM-Schnittstelle adressierbar ist. Korrespondierend hierzu verfügen auch die Messgeräte 10, 10`, 11, 12 des erfindungsgemäßen Mess-Systems über eine entsprechend kabellose Schnittstelle, um mit der Server-basierten Auswerte-Einheit 3 kommunizieren zu können. In diesem Zusammenhang kann die Übertragungsrate der Messgeräte 10, 10`, 11, 12 zur Auswerte-Einheit 3 durch diese in Abhängigkeit des jeweils aktuell gemessenen Messwertes oder in Abhängigkeit der prognostizierten Gebietsreaktion geregelt werden: Sofern der aktuelle Messwert und/oder die prognostizierte Flussrate l/s bzw. der prognostizierte Wasserstand L bspw. im Vergleich zu einem zuvor definierten Grenzwert erhöht ist/sind, kann auch die Übertragungsrate oder auch die Messrate selbst erhöht werden. Eine Erhöhung kann dabei stufenweise oder quasi linear erfolgen. Vorteilhaft hieran ist, dass die Messrate und/oder die Übertragungsrate der einzelnen Messgeräte 10, 10`, 11, 12 standardmäßig sehr niedrig eingestellt werden kann, sofern keine Warnlage zu erwarten ist. Somit kann die Einsatzbereitschaft der autark arbeitenden Messgeräte 10, 10`, 11, 12 deutlich verlängert werden.
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Der in der Auswerte-Einheit 3 implementierte Algorithmus beschreibt den Zusammenhang zwischen
- ◯ den von den Messgeräten 10, 10`, 11, 12 erhaltenen Messwerten, und
- ◯ den zu prognostizierenden Flussraten l/s und/oder den Wasserständen L an den Zielorten x im Einzugsgebiet 1.
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Dabei versteht es sich von selbst, dass je nach Auslegung des Algorithmus zumindest nicht jeder der Zielorte x auf dem Raster angeordnet sein muss. Vielmehr kann der Zielort x bzw. können die Zielorte x in Abhängigkeit des konkreten Einzugsgebietes 1 auch individuell verteilt liegen. Im Gegenzug ist es im Rahmen der Erfindung je nach Situation im konkreten Einzugsgebiet 1 auch denkbar, dass zumindest einzelne Messgeräte (-Typen) 10, 10`, 11, 12 auf dem Raster bzw. an dezidierten Zielorten x angeordnet sind.
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Damit das erfindungsgemäße Mess-System an verschiedenste Gewässer 2 bzw. verschiedenste Einzugsgebiete 1 anpassbar ist, muss der Algorithmus
- - die Topologie des einzelnen Einzugsgebietes 1,
- - dessen Bodenbeschaffenheit, und
- - die Ausdehnung des Fließgewässers 2 bzw. dessen Zu- und Abläufe miteinbeziehen. Eine Möglichkeit zur Berücksichtigung dessen besteht darin, den Algorithmus in der Auswerte-Einheit 3 als maschinellen Lern-Algorithmus (auch bekannt unter dem Begriff „Machine Learning“) auszulegen. Hierzu kann in der Auswerte-Einheit 3 ein entsprechendes künstliches neuronales Netzwerk ausgebildet werden, beispielsweise in Form von „Deep Learning“. Als zu optimierende Zielgrößen gelten hierbei insbesondere die Genauigkeit und die Sicherheit der Prognose der Gebietsreaktion, also die Prognose-Genauigkeit und die Prognose-Sicherheit der Wasserstände L und der Flussraten l/s an den einzelnen Zielorten x sowie ggf. eine optimale Rasterung bzw. Position der entsprechenden Zielorte x.
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Zu einer diesbezüglichen Optimierung müssen der Auswerte-Einheit 3 bzw. dem Algorithmus einerseits die von den Messgeräten 10, 10`, 11, 12 ermittelten Messwerte übermittelt werden, und zwar möglichst fortlaufend über mindestens eine definierte Anfangs-Lernphase. Andererseits müssen der Auswerte-Einheit 3 bzw. dem maschinellen Lern-Algorithmus zumindest während dieser Lernphase die korrespondierenden Wasserstände L bzw. Flussraten l/s vorgegeben werden. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung per se nicht entscheidend, ob die Werte L, l/s, die dem Algorithmus vorgegeben werden, eigens hierzu durchgeführten Messungen an entsprechenden Zielorten x entstammen, oder ob geeignete Literatur- bzw. Schätzwerte vorgegeben werden. Darüber hinaus ist es nicht entscheidend, ob der maschinelle Lern-Algorithmus „überwacht‟ oder „unüberwacht‟ lernend ausgelegt ist. Auch die Anfangs-Lernphase muss nicht zwingend zeitlich befristet sein, so dass der Algorithmus in diesem Fall während des gesamten Betriebs des Mess-Systems fortlaufend optimiert bzw. angepasst wird.
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Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Ausführungsvariante kann das erfindungsgemäße Mess-System nicht nur an einem Fließgewässer 2 eingesetzt werden, sondern auch an jeglichen anderen Gewässern, deren Einzugsgebiet hochwassergefährdet ist. Insgesamt bietet die erfindungsgemäße Hochwasser-Prognose mittels des Mess-Systems den Vorteil, dass einerseits eine sehr zeitnahe Prognose der Flussraten und Wasserstände abgegeben werden kann. Hierdurch kann eine etwaige Warnung vor Hochwasser im Zweifelsfall noch früh genug ausgegeben werden. Andererseits kann die Warnung örtlich sehr stark aufgelöst abgegeben werden. Hierdurch können auch etwaige, lokal stark begrenzte Warnlagen erkannt werden, die mittels konventioneller Vorhersagen auf Basis rein meteorologischer Vorhersagedaten nicht als solche erkannt würden. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, auch solche meteorologischen Vorhersagedaten in die erfindungsgemäße Prognose der Wasserstände/Flussraten miteinzubeziehen, wenn sie der Auswerte-Einheit 3 entsprechend übermittelt werden, bzw. wenn das der implementierte Algorithmus diese Vorhersagedaten entsprechend miteinbezieht. Im Falle eines selbstlernenden Algorithmus kann dies zusätzlich einer verbesserten Anpassung der Hochwasser-Warnung an das spezifische Einzugsgebiet (1) dienen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzugsgebiet
- 2
- Gewässer
- 3
- Auswerte-Einheit
- 10, 10`
- Pegelmessgerät
- 11
- Bodenfeuchtemessgerät
- 12
- Niederschlagsmessgerät
- L
- Wasserstand
- l/s
- Flussrate
- x
- Zielort
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020100867 A1 [0003]
- DE 102020119488 A1 [0004]
- WO 2019096766 A1 [0008]
